基于虛擬現(xiàn)實與局部自主的空間機器人遙操作技術(shù)研究.pdf

1、利用空間機器人代替宇航員進行太空作業(yè)，不僅可以使宇航員避免在惡劣太空環(huán)境中作業(yè)時可能受到的傷害，還可以降低成本、提高空間探索活動的效率。由于空間工作環(huán)境非結(jié)構(gòu)化及工作任務(wù)多變的特點，同時受計算機、控制、人工智能和機構(gòu)等關(guān)鍵支撐技術(shù)發(fā)展水平的制約，目前研制出在空間環(huán)境下完全自主工作的機器人還很難實現(xiàn)。因此，切實可行的方法是充分利用人的智能進行高層任務(wù)規(guī)劃，采用地面遙操作空間機器人的方式完成空間作業(yè)。本文針對衛(wèi)星在軌維護任務(wù)，建立了衛(wèi)星自維

2、護的地面遙操作演示平臺，對基于虛擬現(xiàn)實和局部自主的空間機器人遙操作進行了研究。
　　本文建立了一套衛(wèi)星在軌自維護的地面遙操作演示系統(tǒng)。利用人為增加時延的方法，位于武漢的操作者通過 Internet遙操作位于哈爾濱的機器人完成衛(wèi)星維護任務(wù)，模擬了地面遙操作空間機器人的大時延情況，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了三維圖形預(yù)測顯示，有效地克服了大時延對遙操作的影響。利用反饋的機器人實際位置和視覺識別操作對象結(jié)果，在虛擬環(huán)境下重新構(gòu)建了虛擬的實際

3、機器人和操作對象場景，有效地克服了低帶寬對流暢視頻傳輸?shù)南拗?，使操作者直觀形象地感知遠端實際狀態(tài)。
　　在遙操作的主操作端，遙操作的操作安全性與操作性能之間是互斥的。手動操作的操作性能差但處理異常能力（安全性）強，離線任務(wù)規(guī)劃的操作性能好但處理異常能力差。本文提出了在主端利用柔性虛擬夾具方法輔助遙操作，通過柔性系數(shù)調(diào)節(jié)機器人傾向于理想運動方向的程度，有效地將離線任務(wù)規(guī)劃與操作者手動控制結(jié)合起來，在遙操作的安全性與操作性能之間進行折

4、衷，保證了遙操作的操作精度與異常處理能力。并在此基礎(chǔ)上，將虛擬力反饋、顏色識別及虛擬厚度方法融合到柔性虛擬夾具中，進一步提高了操作性能。
　　在遙操作的從機器人端，實現(xiàn)了基于關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)力矩、腕力傳感器和視覺的多傳感器機器人局部自主功能，提高了機器人的智能水平。在自由運動階段，采用基于視覺的機器人最優(yōu)接近速度控制。在約束運動階段，針對空間機器人經(jīng)常與高剛度環(huán)境接觸情況，基于力外環(huán)思想，本文提出了基于阻抗內(nèi)環(huán)的力跟蹤方法，對比實驗

5、證明該方法保證了機器人與高剛度環(huán)境接觸時較好的力控制性能。
　　基于虛擬現(xiàn)實遙操作的前提是虛擬模型與實際場景的一致性。然而，受空間環(huán)境變化及傳感器測量誤差等影響，虛擬模型與實際場景之間存在著不可避免的模型誤差。本文將模型修正法與機器人的控制方法結(jié)合起來，一方面在遙操作主端利用反饋的機器人實際位置和視覺識別結(jié)果分別對虛擬機器人和虛擬操作對象的位姿進行修正，盡可能地減小虛擬模型與實際場景的差別；另一方面，對于仍殘存的模型誤差，在從機器

6、人端采用對模型誤差具有一定的魯棒性的阻抗控制、混合阻抗控制方法，進一步消除殘存的模型誤差。實驗證明了該方法能夠消除模型誤差對遙操作的影響。
　　在本文的最后，對于結(jié)構(gòu)化空間環(huán)境，采用基于虛擬現(xiàn)實的遙操作方式克服了約14秒的大通訊時延對遙操作的影響，順利地完成了打開衛(wèi)星天線的衛(wèi)星維護任務(wù)。對于存在誤差的非結(jié)構(gòu)化空間環(huán)境，分別進行了打開衛(wèi)星太陽能帆板和擦拭衛(wèi)星鏡頭的兩個典型衛(wèi)星維護遙操作實驗，克服了模型誤差對遙操作的影響，驗證了本文提